FR2561384A1 - CONSTRAINT WAVE TRANSDUCER - Google Patents
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Abstract
UN TRANSDUCTEUR 10 POUR DETECTER LES ONDES DE CONTRAINTE COMPREND UN ORGANE PIEZOELECTRIQUE 11 QUI EST MONTE SUR UNE BASE EN LAITON 12 ET PORTE PAR UN SUPPORT 21 EN NITRURE DE BORE. L'ORGANE PIEZOELECTRIQUE 11 EST DEFORME SOUS L'INFLUENCE DES ONDES DE CONTRAINTE POUR ENGENDRER UN SIGNAL ELECTRIQUE DONT L'AMPLITUDE EST INDICATIVE DE L'AMPLITUDE DES ONDES DE CONTRAINTE.A TRANSDUCER 10 FOR DETECTING THE STRESS WAVES INCLUDES A PIEZOELECTRIC ORGAN 11 WHICH IS MOUNTED ON A BRASS BASE 12 AND CARRIED BY A BRACKET 21 IN BORON NITRIDE. THE PIEZOELECTRIC ORGAN 11 IS DEFORMED UNDER THE INFLUENCE OF THE STRESS WAVES TO GENERATE AN ELECTRIC SIGNAL THE AMPLITUDE OF WHICH IS INDICATIVE OF THE AMPLITUDE OF THE STRESS WAVES.
Description
La présente invention a trait à un transducteurThe present invention relates to a transducer
pour détecter les ondes de contrainte et délivrer un si- to detect the stress waves and deliver a
gnal électrique qui est indicatif de l'amplitude des on- electric general which is indicative of the amplitude of the on-
des de contrainte détectées.of constraint detected.
Dans le brevet anglais n 1 116 531, est décrit In English Patent No. 1,116,531, is described
un transducteur de pression qui comprend un cristal piézo- a pressure transducer which includes a piezo crystal
électrique monté de façon telle qu'il soit sujet à déforma- electric mounted in such a way that it is subject to deformation
tion sous l'effet d'ondes de pression qu'il reçoit. La dé- tion under the effect of pressure waves it receives. The-
formation du cristal a pour effet d'engendrer à travers le cristal une différence de potentiel qui est indicative de l'amplitude des ondes de pression. Les transducteurs de Crystal formation has the effect of generating a potential difference across the crystal which is indicative of the amplitude of the pressure waves. The transducers
ce type peuvent fournir de fausses indications de l'ampli- this type can provide false indications of the ampli-
tude de l'onde de pression si le cristal est sujet à défor- study of the pressure wave if the crystal is subject to deformation
mation par les ondes de pression qui ont déjà agit sur le cristal mais qui sont ensuite réfléchies vers le cristal par d'autres constituants structurels du transducteur. Le transducteur décrit dans le brevet anglais n 1 116 581 pressure waves which have already acted on the crystal but which are then reflected towards the crystal by other structural components of the transducer. The transducer described in English Patent No. 1,116,581
résoud ce problème en disposant une barre de base sur l'ar- solve this problem by having a basic bar on the
rière du cristal piézoélectrique. La barre est entourée par un matériau amortisseur, tel qu'un caoutchouc silicone, 2. of the piezoelectric crystal. The bar is surrounded by a shock absorbing material, such as silicone rubber, 2.
de sorte que toute onde de pression qui traverse le cris- so that any pressure wave that crosses the cris-
tal piézoélectrique pénètre ensuite dans la barre et est piezoelectric tal then enters the bar and is
amortie par le matériau amortisseur, ce qui assure qu'au- cushioned by the shock absorbing material, which ensures that
cune onde de pression réfléchie ne parvient au cristal. no reflected pressure wave reaches the crystal.
Bien que les transducteurs du type décrit dans Although transducers of the type described in
le brevet anglais n 1 116 581 soient efficaces pour indi- English Patent No. 1,116,581 are effective in identifying
quer l'amplitude des ondes de pression, leurs applications sont limitées du fait de leur dimension. Ils tendent à quer the amplitude of the pressure waves, their applications are limited due to their size. They tend to
être plutôt volumineux du fait de la dimension de la bar- be rather bulky due to the size of the bar-
re amortie qu'ils contiennent. Une autre limitation est celle qui est imposée par les limites de température du re amortized they contain. Another limitation is that imposed by the temperature limits of the
matériau qui est utilisé pour amortir la barre. Les maté- material that is used to cushion the bar. The materials
riaux qui sont appropriés à l'amortissement, tels que ceux qui sont vendus sous la marque déposée "Plasticene" et "Neoprene", ne sont utilisables qu'à des températures Rials that are suitable for amortization, such as those sold under the registered trademarks "Plasticene" and "Neoprene", can only be used at temperatures
de service ne dépassant pas 150 C. De plus, ces transduc- of service not exceeding 150 C. In addition, these transducers
teurs sont sensibles aux effets de l'accélération et des vibrations. They are sensitive to the effects of acceleration and vibration.
C'est un objet de la présente invention de réa- It is an object of the present invention to
liser un transducteur pour détecter les ondes de contrain- read a transducer to detect stress waves
te qui soit compact et capable de fonctionner efficacement that is compact and capable of operating efficiently
à des températures supérieures à celles qui ont été possi- at temperatures higher than those that were possible
bles jusqu'ici avec les transducteurs de l'art antérieur du type décrit ci-dessus, et qui soit moins sensible aux so far with the transducers of the prior art of the type described above, and which is less sensitive to
effets des vibrations et de l'accélération. effects of vibration and acceleration.
Conformément à la présente invention, un transduc- In accordance with the present invention, a transducer
teur pour détecter les ondes de contrainte comprend un tor to detect the stress waves includes a
organe piézoélectrique, une barre conductrice de l'élec- piezoelectric organ, an electric conductor bar
tricité sur laquelle ledit organe piézoélectrique est mon- tricity on which said piezoelectric member is mounted
té, et avec laquelle il est en contact électrique, et un support en nitrure de bore,qui supporte à la fois ledit organe piézoélectrique et ladite barre, ledit organe piézoélectrique étant disposé de façon à être exposé en tee, and with which it is in electrical contact, and a boron nitride support, which supports both said piezoelectric member and said bar, said piezoelectric member being arranged so as to be exposed in
service aux ondes de contrainte, d'o il résulte que tou- stress wave service, whence it follows that
tes les ondes de contrainte provoquent la déformation de l'organe piézoélectrique et engendrent ainsi un signal 3. électrique dont Tamplitude est indicative de l'amplitude tes the stress waves cause the deformation of the piezoelectric member and thus generate an electrical signal 3. the amplitude of which is indicative of the amplitude
desdites ondes de contrainte.said stress waves.
Dans la présente demande de brevet, le terme "ondes de contrainte" doit être compris comme incluant à la fois les ondes de pression se. déplaçant dans les milieux gazeux et liquides et les ondes d'émission acoustiques se In the present patent application, the term "stress waves" should be understood to include both pressure waves se. moving in gaseous and liquid media and the acoustic emission waves
déplaçant dans les milieux liquides et solides. - moving in liquid and solid media. -
En se référant au dessin, un transducteur d'on- Referring to the drawing, an on-line transducer
de de pression indiqué dans son ensemble en 10, comprend of pressure indicated as a whole in 10, includes
un disque 11 qui est constitué d'un cristal piézoélectri- a disc 11 which consists of a piezoelectric crystal
que de titanate zirconate de plomb et est cimenté au moyen d'une résine époxy à une barre de laiton 12 en forme de disque. Bien cue le disque 11 soit constitué dans ce cas particulier, d'un cristal de titanatezirconate de plomb, than lead zirconate titanate and is cemented by means of an epoxy resin to a brass bar 12 in the shape of a disc. Although the disc 11 is made in this particular case, of a lead titanatezirconate crystal,
il sera compris que d'autres matériaux ayant des proprié- it will be understood that other materials having properties
tés piézoélectriques peuvent être utilisés si on le dési- piezoelectric tees can be used if desired
re.re.
On emploiera peu de résine époxy entre le dis- Little epoxy resin will be used between the
que 11 de titanate-zirconate de plomb et la barre de lai- as 11 lead titanate-zirconate and the bar of lai-
ton 12, pour être sûr de ne pas empêcher le passage d'un tone 12, to be sure not to prevent the passage of a
courant électrique entre eux. Ceci étant, quand le dis- electric current between them. That said, when the dis-
que 11 de titanate-zirconate de plomb est déformé et en- that 11 of lead titanate-zirconate is deformed and
gendre ainsi un signal électrique, ce signal sera conduit thus generate an electrical signal, this signal will be conducted
à. la barre de laiton 12.at. the brass bar 12.
La barre de laiton est formée avec un trou 13 à The brass bar is formed with a hole 13 to
son centre pour recevoir le conducteur central 14 d'un câ- its center to receive the central conductor 14 of a cable
ble coaxial 15. L'écran 16 du châble coaxial 15 est appli- coaxial ble 15. The screen 16 of the coaxial cable 15 is applied
qué sur la surface interne d'un organe tubulaire 17 en acier qué on the internal surface of a tubular member 17 in steel
inoxydable qui constitue le corps du transducteur 10. which constitutes the body of the transducer 10.
Le corps tubulaire 17 du transducteur comporte à son extrémité droite (telle que représentée sur le dessin) une partie 18 de diamètre élargi formant une bride pour recevoir un capuchon métallique 19. Le capuchon 19 a une The tubular body 17 of the transducer comprises at its straight end (as shown in the drawing) a part 18 of enlarged diameter forming a flange for receiving a metal cap 19. The cap 19 has a
face frontale 20 qui est plus mince que le reste du capu- front face 20 which is thinner than the rest of the capu-
chon de façon à constituer un diaphragme recouvrant une ex- chon so as to constitute a diaphragm covering an ex-
trémité du transducteur 10. Le capuchon 19 renferme un 4. end of the transducer 10. The cap 19 contains a 4.
support cylindrique creux 21 en nitrure de bore, qui com- hollow cylindrical support 21 made of boron nitride, which
porte un gradin externe 23 de façon à faciliter son posi- carries an external step 23 so as to facilitate its posi-
tionnement sur la bride de l'extrémité 18 du transducteur et un gradin interne 24 pour définir un emplacement précis pour la barre de laiton 12 et pour le disque 11 de titana- operation on the flange of the end 18 of the transducer and an internal step 24 to define a precise location for the brass bar 12 and for the titanium disc 11
te-zirconate de plomb,- qui sont logés à l'intérieur du ca- lead te-zirconate, - which are housed inside the case
puchon. Le support 21 en nitrure de bore comporte en plus un disque 22 de silice revêtu de platine qui est interposé puchon. The support 21 made of boron nitride additionally comprises a silica disc 22 coated with platinum which is interposed
entre le diaphragme 20 et le disque 11 de titanate-zircona- between the diaphragm 20 and the disc 11 of titanate-zircona-
te de plomb.lead.
Le diaphragme 20 et le disque 22 de silice revê- The diaphragm 20 and the disc 22 of coated silica
tu de platine servent à protéger le disque 11 de titana- platinum tu are used to protect disc 11 of titana-
te-zirconate de plomb des avaries quand le transducteur 10 doit fonctionner dans un environnement susceptible d'avoir un effet néfaste sur le disque 11. Cependant, ils doivent lead te-zirconate damage when the transducer 10 must operate in an environment likely to have an adverse effect on the disc 11. However, they must
avoir une transparence acceptable aux ondes de contrain- have acceptable transparency to stress waves
te pour que quand le transducteur 10 est exposé aux ondes de contrainte, le cristal de titanate-zirconate de plomb soit déformé par ces ondes quand elles sont d'amplitude so that when the transducer 10 is exposed to the stress waves, the lead titanate-zirconate crystal is deformed by these waves when they are of amplitude
suffisante,et engendrer ainsi une différence de potentiel. sufficient, and thus generate a potential difference.
La différence de potentiel engendrée est en relation avec le degré de déformation du disque 11 de titanate-zirconate de plomb et par suite l'amplitude des ondes de contrainte auxquelles il est exposé. Ainsi, le disque 11 délivre un The potential difference generated is related to the degree of deformation of the disc 11 of lead titanate-zirconate and consequently the amplitude of the stress waves to which it is exposed. Thus, the disc 11 delivers a
signal électrique dont l'amplitude est indicative de l'am- electrical signal whose amplitude is indicative of the am-
plitude des ondes de contrainte.plitude of the stress waves.
Le signal électrique du disque 11 est transmis par le disque 12 de base en laiton du conducteur central 14 du cble coaxial 15. Le conducteur 14 est connecté à un amplificateur classique (non représenté) qui est capable de délivrer un signal convenable dans le cas o les ondes The electrical signal of the disc 11 is transmitted by the basic brass disc 12 of the central conductor 14 of the coaxial cable 15. The conductor 14 is connected to a conventional amplifier (not shown) which is capable of delivering a suitable signal in the case o waves
de contrainte qui sont, soit à un niveau d'amplitude cons- of stress which are either at a level of amplitude cons-
tant, soit à un niveau d'amplitude variable, sont rencontrés par le transducteur 10. Le sortie de l'amplificateur est utilisée pour piloter des moyens appropriés pour indiquer 5. both at a variable amplitude level are encountered by the transducer 10. The output of the amplifier is used to drive appropriate means to indicate 5.
i 'amplitude des ondes de contrainte détectées. the amplitude of the detected stress waves.
Bien que cette forme de réalisation particuliè- Although this particular embodiment
re de la présente invention ait été décrite en se réfé- re of the present invention has been described with reference to
rant à un transducteur 10 qui est muni d'un diaphragme 20 et d'un disque 11il de silice revêtu de platine afin de pro- téger le disque 11il de tïtanate-zirconate de plomb, il sera compris que dans certains environnements opératoires, de Rant to a transducer 10 which is provided with a diaphragm 20 and a disc 11il of silica coated with platinum in order to protect the disc 11il of lead tïtanate-zirconate, it will be understood that in certain operating environments,
telles précautions ne soient pas nécessaires. On compren- such precautions are not necessary. We understand
dra donc que dans de telles circonstances, le dispositif ne comprendra pas de diaphragme 20 ni de disque de silice will therefore say that in such circumstances, the device will not include a diaphragm 20 or a silica disc
revêtu de platine.Par exemple, si le transducteur 10 de- coated with platinum. For example, if transducer 10 de-
vait être utilisé dans unenvironnement dans lequel les ondes de contrainte qu'il est destiné à détecter étaient constituées par des changements de pression d'un gaz ou d'un liquide qui soit à haute température et qui soit intended for use in an environment in which the stress waves it is intended to detect were formed by changes in pressure of a gas or liquid which is at high temperature and which is
corrosif, alors le diaphragme 20 assurerait une protec- corrosive, then diaphragm 20 would provide protection
tion contre la corrosion et le disque 22 de silice revêtu corrosion protection and coated silica disc 22
de platine une protection thermique du disque 11 de tita- of platinum thermal protection of the titanium disc 11
nate-zirconate de plomb. Cependant, si le transducteur 10 lead nate-zirconate. However, if the transducer 10
devait être utilisé pour détecter des ondes de contrain- was to be used to detect stress waves
te qui sont sous la forme d'émissions acoustiques dans un corps solide, alors le diaphragme 20 et le disque 22 de silice revêtu de platine pourraient être supprimés et te which are in the form of acoustic emissions in a solid body, then the diaphragm 20 and the disc 22 of platinum-coated silica could be eliminated and
le disque 12 de titanate-zirconate de plomb placé en con- the disc 12 of lead titanate-zirconate placed in con-
tact avec ou immédiatement adjacent au corps examiné. En variante, le disque de silice 22 pourrait être placé tact with or immediately adjacent to the body being examined. Alternatively, the silica disc 22 could be placed
sur la face externedu diaphragme 20 de façon à fonction- on the outer face of the diaphragm 20 so as to function
ner comme un sabot de protection pour protéger le diaphrag- ner as a protective shoe to protect the diaphragm
me 20 si le transducteur 10 était placé en contact direct me 20 if the transducer 10 was placed in direct contact
avec une surface dure.with a hard surface.
Le support 21 en nitrure de bore assure une The support 21 made of boron nitride provides a
double fonction. D'abord il sert de support isolant ther- double function. First it serves as an insulating support
mique pour le disque 11 de titanate-zirconate de plomb pour que le transducteur 10 puisse fonctionner dans des environnements chauds sans que le fonctionnement du disque 11 6. soit affecté défavorablement. En fait, dans les essais qui ont été effectués sur l'effet de la température sur le fonctionnement du transducteur 10, il a été trouvé qu'àa des températures de OC à 250 C, il était efficace pour détecter les ondes de contrainte dans les limites mique for the disc 11 of lead titanate-zirconate so that the transducer 10 can operate in hot environments without the operation of the disc 11 6. being adversely affected. In fact, in tests which have been carried out on the effect of temperature on the operation of transducer 10, it has been found that at temperatures from OC to 250 C, it is effective in detecting stress waves in limits
de fréquence de 35 Hz à 2 MHz.frequency from 35 Hz to 2 MHz.
La seconde fonction du support 21 en nitrure de bore est d'absorber les ondes de contrainte après qu'elles aient traversé le disque 1i et le disque de The second function of the support 21 made of boron nitride is to absorb the stress waves after they have passed through the disc 1i and the disc of
base en laiton 12. Si une telle absorption n'est pas réa- brass base 12. If such absorption is not achieved
lisée, des ondes de contrainte réfléchies repasseraient à reflected, reflected stress waves would pass through
travers le disque 11 et provoqueraient ainsi des résonan- through the disc 11 and would thus cause resonances
ces à l'intérieur de ce disque, conduisant à leur tour à des signaux trompeurs du transducteur 10. Il a été these inside this disc, in turn leading to misleading signals from transducer 10. It has been
trouvé lors d'essais du transducteur 10 que dans un domai- found in testing transducer 10 only in a home
ne de fréquence d'onde de contrainte de 35 Hz à 2 MHz, il n'y avait pas de résonance sensible dans le disque 11 no constraint wave frequency from 35 Hz to 2 MHz, there was no significant resonance in the disc 11
de titanate-zirconate de plomb.lead titanate-zirconate.
On voit donc que le transducteur 10 est suscep- It can therefore be seen that the transducer 10 is suscep-
tible de fonctionner à des températures plus élevées que tible to operate at higher temperatures than
celles o fonctionnent les transducteurs connus qui né- those where the known transducers work which
cessitent des barres d'amortissement pour l'élimination stop damping bars for disposal
des résonances et est en outre de dimension plus compac- resonances and is more compact in size
te que ces transducteurs. En fait, il a été trouvé qu'il est possible de manufacturer des transducteurs du type représenté en 10 qui ont une dimension globale de 2,5 mm te that these transducers. In fact, it has been found that it is possible to manufacture transducers of the type shown in 10 which have an overall dimension of 2.5 mm.
de diamètre et 8 mm de long. De plus, comme le transduc- in diameter and 8 mm long. In addition, like the transducer-
teur 10 est de dimension compacte et n'est pas dépen- 10 is compact in size and is not dependent
dant de matériaux d'amortissement non rigides, il est with non-rigid cushioning materials, it is
moins sujet aux effets de l'accélération et des vibra- less subject to the effects of acceleration and vibration
tions que les transducteurs de l'art antérieur décrits ci-dessus. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle tions as the transducers of the prior art described above. The present invention is not limited to the exemplary embodiments which have just been described, it
est au contraire susceptible de modifications et de va- is on the contrary subject to modifications and
riantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. laughing who will appear to those skilled in the art.
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